Ce 25 novembre marque le centenaire de la présentation de la thèse de doctorat de Louis de Broglie, qui lui a valu le prix Nobel pour « sa découverte de la nature ondulatoire des électrons ». Ces travaux ont eu un impact durable sur la physique et constituent l’une des contributions pionnières à la physique quantique.
Un développement important de ces travaux a conduit au modèle dit de « l’onde pilote », qui constitue une alternative à la formulation standard de la mécanique quantique, et dont l’influence perdure aujourd’hui… mais que Louis de Broglie a rapidement désavoué. Pour quelles raisons ?
Difficulté d’interpréter la mécanique quantique
La théorie de la mécanique quantique décrit le comportement de la matière à petite échelle, comme celui des atomes ou des électrons. Sa découverte remonte au début du XXe siècle.e siècle, mais de nombreuses questions restent encore débattues aujourd’hui. Cette situation est due, en grande partie, aux caractéristiques confuses de la théorie.
Par exemple, les objets quantiques semblent se comporter tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes. L’interprétation de Copenhague, développée au début du XXee siècle, conclut que le monde quantique ne peut être analysé selon les concepts classiques. Cette lecture de la mécanique quantique s’est heurtée à d’importantes objections, et une représentation causale et mécanique du monde quantique est restée recherchée par une partie entière de la communauté des chercheurs (y compris Albert Einstein).
Louis de Broglie, physicien français, partageait cette ambition et proposait sa « théorie des ondes pilotes » en 1927. Selon ce modèle, la matière est composée de particules dont le mouvement est entraîné par une « onde quantique ». Cette théorie expliquerait donc les raisons du comportement ondulatoire des particules.
Cependant, quelques années après cette découverte, il abandonna sa théorie. Pourquoi ce revirement de la part de Louis de Broglie lui-même, et quel a été l’impact de ses travaux sur le reste de la communauté scientifique ?
L’étrangeté persiste
Les raisons d’abandonner la théorie des vagues pilotes sont nombreuses. Cependant, deux caractéristiques du modèle le rendaient particulièrement suspect. D’une part, cela suggère que le mouvement d’une particule peut dépendre de celui d’une autre, même si leur distance, selon la relativité d’Einstein, devrait interdire toute interaction.
En revanche, l’onde pilote n’a pas de signification physique claire. Contrairement aux ondes conventionnelles, comme les ondes océaniques ou les ondes électromagnétiques, ce n’est pas une onde qui évolue dans notre espace physique tridimensionnel. Il s’agit plutôt d’une onde qui se développe dans un espace mathématique abstrait comportant un grand nombre de dimensions, ce qui la rend difficile à interpréter.
Ces aspects de sa vague pilote ont grandement perturbé Louis de Broglie, qui a explicitement abandonné sa théorie dans ses écrits ultérieurs. Son ambition la plus profonde était de développer une approche légèrement différente, appelée « théorie de la double solution ».
Ce modèle alternatif aurait eu l’avantage d’être beaucoup plus intuitif et plus simple à comprendre. Son objet principal aurait été une vague moins abstraite, qui se serait déployée dans l’espace familier à notre perception.
Cependant, la complexité mathématique de cette approche était considérable. Louis de Broglie y travailla jusqu’à la fin de sa vie, malgré le mauvais accueil du projet parmi ses confrères physiciens. En fait, malgré les défauts soulignés par de Broglie, c’est précisément la théorie de l’onde pilote qui attire l’attention de la grande majorité des chercheurs, conduisant à l’oubli progressif de son programme de recherche sur la solution de la théorie double.
Redécouverte de la théorie
Malgré tout, les travaux de Louis de Broglie ont profondément marqué la communauté scientifique.
Ainsi, le physicien américain David Bohm, qui a apporté d’importantes contributions à la physique quantique, a redécouvert indépendamment la théorie des ondes pilotes en 1952. Au lieu de rejeter le modèle en raison de son étrangeté, le défi était de lui donner un sens. Les questions concernant le contenu et la signification exacte de la théorie sont encore débattues aujourd’hui.
En revanche, la théorie de la double solution de Louis de Broglie n’a pas été complètement abandonnée. Certains physiciens contemporains travaillent encore sur sa formulation. Il se pourrait qu’un jour cette approche nous aide à mieux comprendre notre monde à petite échelle, avec peu d’impact sur nos intuitions classiques.
Cet article a bénéficié du dialogue avec Aurélien Drezet, de l’Institut Néel de Grenoble, que l’auteur tient à remercier.
